Eksperimenter validerer muligheden for heliumregn inde i Jupiter og Saturn

For næsten 40 år siden, videnskabsmænd forudsagde først eksistensen af ​​heliumregn inde i planeter bestående primært af brint og helium, såsom Jupiter og Saturn. Imidlertid, at opnå de eksperimentelle betingelser, der er nødvendige for at validere denne hypotese, har ikke været muligt - indtil nu.

I et papir offentliggjort i dag af Natur , videnskabsmænd afslører eksperimentelle beviser for at understøtte denne langvarige forudsigelse, viser, at heliumregn er mulig over en række tryk- og temperaturforhold, der afspejler dem, der forventes at forekomme inde i disse planeter.

"Vi opdagede, at heliumregn er ægte, og kan forekomme både i Jupiter og Saturn, sagde Marius Millot, en fysiker ved Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) og medforfatter på publikationen. "Dette er vigtigt for at hjælpe planetforskere med at tyde, hvordan disse planeter dannedes og udviklede sig, hvilket er afgørende for at forstå, hvordan solsystemet blev dannet."

"Jupiter er især interessant, fordi det menes at have hjulpet med at beskytte den indre planetregion, hvor Jorden blev dannet, " tilføjede Raymond Jeanloz, medforfatter og professor i jord- og planetvidenskab og astronomi ved University of California, Berkeley. "Vi er muligvis her på grund af Jupiter."

Det internationale forskerhold, som omfattede forskere fra LLNL, den franske kommission for alternative energier og atomenergi, University of Rochester og University of California, Berkeley, udførte deres eksperimenter ved University of Rochesters Laboratory for Laser Energetics (LLE).

"Kobling af statisk kompression og laserdrevne stød er nøglen til at give os mulighed for at nå de forhold, der kan sammenlignes med det indre af Jupiter og Saturn, men det er meget udfordrende, " sagde Millot. "Vi var virkelig nødt til at arbejde på teknikken for at opnå overbevisende beviser. Det tog mange år og masser af kreativitet fra holdet."

Holdet brugte diamantamboltceller til at komprimere en blanding af brint og helium til 4 gigapascal, (GPa; cirka 40, 000 gange Jordens atmosfære). Derefter, forskerne brugte 12 gigantiske stråler af LLE's Omega Laser til at affyre stærke chokbølger for yderligere at komprimere prøven til sluttryk på 60-180 GPa og opvarme den til flere tusinde grader. En lignende tilgang var nøglen til opdagelsen af ​​superionisk vandis.

Ved hjælp af en række ultrahurtige diagnostiske værktøjer, holdet målte stødhastigheden, den optiske reflektionsevne af den stødkomprimerede prøve og dens termiske emission, at konstatere, at prøvens reflektivitet ikke steg jævnt med stigende stødtryk, som i de fleste prøver undersøgte forskerne med lignende målinger. I stedet, de fandt diskontinuiteter i det observerede reflektionssignal, som indikerer, at prøvens elektriske ledningsevne ændrede sig brat, en signatur af helium- og brintblandingen, der adskilles. I et papir udgivet i 2011, LLNL-forskere Sebastien Hamel, Miguel Morales og Eric Schwegler foreslog at bruge ændringer i den optiske reflektivitet som en sonde til afblandingsprocessen.

"Vores eksperimenter afslører eksperimentelle beviser for en langvarig forudsigelse:Der er en række tryk og temperaturer, hvor denne blanding bliver ustabil og demixer, " sagde Millot. "Denne overgang sker ved tryk- og temperaturforhold tæt på det, der er nødvendigt for at omdanne brint til en metallisk væske, og det intuitive billede er, at brintmetalliseringen udløser afblandingen."

Numerisk simulering af denne afblandingsproces er udfordrende på grund af subtile kvanteeffekter. Disse eksperimenter giver et kritisk benchmark for teori og numeriske simuleringer. Ser frem til, holdet vil fortsætte med at forfine målingen og udvide den til andre sammensætninger i den fortsatte stræben efter at forbedre vores forståelse af materialer under ekstreme forhold.